SDR Platform -低軌衛星地面接收站的解決方案

SDR Platform 指的是用來實現軟體無線電(Software Defined Radio,SDR)的硬體和軟體系統,SDR Platform 可以用來實現各種衛星的操作功能,(如:遙測接收、遙控指令傳輸和頻譜監測...)總而言之 SDR Platform 是一種靈活、高效益的衛星與地面接收站通訊的解決方案。

而軟體無線電(SDR) 呢,它是一種使用軟體來控制 RF 訊號處理的無線電。它比傳統無線電靈活度還要高,並且適應性更強,因為通常傳統無線電都是為了連接特定頻率,或是特定調製方案(modulation scheme)的來專門進行設計的。

以下簡介通用無線電系統的硬體設備及其職責:

通用無線電系統的 Physical Layer 處理和硬體設備示意圖
資料來源:A Software-Defined Baseband for Satellite Ground Operations

上圖最左邊橘色的部分,即是無線電系統前端的接收天線。無論你是用 Phased array、Control Plane Receiver 或是 User plane Receiver 一旦接收衛星通訊訊號之後,必然需要再進行後端處理,讓衛星訊號得以轉換成地面行動通訊訊號以供使用。
由於不同軌道的衛星會使用不同的通訊頻段(如:X, S, Ka, Ku band ...),所以傳統無線電系統的設計方式,會依據不同的頻段來設計專門的接收器、專門的 Up/Down Converter,甚至可以說專為特定頻段專門設計了整套無線電系統
地面接收站接收到特定頻段之後,就會需要進行降頻處理,藉由將高頻的衛星通訊訊號降到中頻或是基頻,最後再經過基頻的系統處理,(上圖右邊藍色部分)將訊號轉換成 OSI 第三層(TCP/IP的網路層) 的 IP,後端就可以透過像是 Gateway 等設備,再介接電信基站、Wi-Fi Router、乙太網路,以供使用!

基於硬體的衛星地面接收站整體運行的架構圖
資料來源:A Software-Defined Baseband for Satellite Ground Operations

像這類傳統基於硬體的衛星地面接收站,就會需要針對不同的衛星頻段(如:X band, S band )來設計不同硬體和處理方式,雖然它看起來是一套系統,但是其實整合度不是很好,且整體硬體的複雜度很高。

基於軟體的衛星地面接收站整體運行的架構圖
SDR-based satellite ground operations architecture

像這種基於軟體的地面接收站,基本上就可以有比較好的整合
SDR-based satellite ground operations architecture

那我們來看這類基於軟體的衛星地面接收站,它究竟是如何運行的。
最左邊衛星訊號的部分,通訊頻段可能是 X band, Ka band 等...不同頻段,假設現在是 Downlink 的情況,當天線接收到訊號之後,就會做一個比較 "general-purpose" Down Converter 的方式,將衛星訊號轉換到一個大一點的中頻,並透過一個能力很強的 SDR platform 進行降頻轉換的處理,最後(上圖藍色部分)我們就可以全部都用 Baseband 的方式來進行後端的處理,像是轉成 IP 介接到 O-RAN 架構的基站、Ethernet、Wi-Fi Router 等...

基於SDR衛星地面接收站的瓶頸

左圖前面 RF 天線端的部分,當然如果可以的話,會希望盡量讓它更 genrnal purpose,就是說同一套的 SDR Platform,讓它盡量可以兼容接收多個不同的衛星頻段,

像是 K band、Ku band 讓這類相近的頻段,可以用同一套的 SDR Platform 進行天線控制來接收並處理訊號,但是有些頻段可能沒辦法,頻段差太多還是得要用不同的 Up、Down Converter 來做基頻處理。

參考資料來源:

  • Moses Browne Mwakyanjala. (2020). A Software-Defined Baseband for Satellite Ground Operations. https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1502786/FULLTEXT05.pdf
  • Mwakyanjala, Moses & Emami, Reza & Beek, Jaap. (2019). Functional Analysis of Software-Defined Radio Baseband for Satellite Ground Operations. Journal of Spacecraft and Rockets. 56. 1-18. 10.2514/1.A34333. 
本文中文標題:基於SDR的低軌道衛星地面接收站解決方案
English Title: SDR-based satellite ground operations architecture

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撰文翻譯作者聯絡資訊(蔡秀吉)

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